琼斯法定标用双波段红外辐射计的研制和校准

目前野外工作大口径双波段红外经纬仪的外场辐射定标装置普遍采用大面积均匀扩展辐射源,该方法需要两套定标设备,功耗高、便携性能差、研制难度大。为解决这一问题,分析比较了不同定标方法的原理、过程及技术性能,得出琼斯法是对野外环境下工作的大口径红外经纬仪进行辐射定标最佳方案的结论。为此研制了双波段红外辐射计,该辐射计由黑体照明光管和参考辐射计两部分组成,采用牛顿式望远系统及中继光路系统,选用InGaAs和PbSe两款红外探测器分别接收短波红外和中波红外辐射信号,可对短波和中波双波段进行辐射定标。讨论了校准参考辐射计对保证红外经纬仪最终测量精度的必要性,并给出参考辐射计在短波和中波不同的校准方法和校准结果。对校准该辐射计的不确定度进行了分析,短波和中波校准不确定度分别为4.12%和2.35%。     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.     

高量值红外辐射照度校准技术研究

主要研究了1 000 W/m2以上红外辐照度测量仪的校准问题。针对红外辐照度测试仪实际使用情况,讨论了配备和未配备光学系统的测量仪校准方法,对于每种类型的辐照度测量仪给出了不同校准架构的校准算法。提出了利用高亮度大口径辐射源进行高量值辐照度的校准原理,组建了一套实验室专用的高量值红外辐照度校准装置,利用3 000 ℃腔式黑体和800 ℃大尺寸面源黑体进行了实际校准,给出了校准结果。最后讨论了现有高量值红外辐射照度校准方法的改进方向。     

外场用红外目标模拟器辐射特性测量研究

野外便携式红外目标模拟器作为红外目标辐射源,广泛应用于各军兵种武器装备的效能测试评估中.针对外场模拟辐射源不能精确标定的问题,采用标准面源黑体和红外傅里叶光谱辐射计相结合标定的方法,对红外模拟器特定温度下的光谱辐亮度进行测量,计算出感兴趣波段的积分辐亮度,根据模拟器辐射面积给出用户需要的模拟器各设定温度下的辐射强度.分析计算表明:计算出的感兴趣波段的积分辐亮度值和理论曲线相比较,取得了良好的一致性,间接验证了该方法的正确性.     

一种靶机红外辐射特性增强技术研究

为了在外场试验中检验红外制导武器系统的工作性能,需要使用靶机红外增强装置实现对真实目标红外辐射特性的模拟。介绍了一种利用光学方法实现靶机红外辐射增强和目标辐射特性模拟的技术。使用高亮度红外光源作辐射源,通过对光学系统的控制,在实现红外辐射增强的同时,可模拟不同距离和方向的红外辐射强度特性。通过建模对所模拟目标的红外辐射强度及辐射方向特性进行了分析,并以此为设计依据设计了光学系统。实现了对最大红外辐射强度为1600W/sr的目标辐射方向特性的模拟。     

空间基准黑体源发射率影响因素研究

空间基准黑体源对气候变化监测、防灾减灾、红外定标等方面的发展具有重要意义。空腔发射率作为空间基准黑体源最关键的表观辐射特性,在红外探测设备的校准过程中需要保持较低的不确定度。针对空间基准黑体源的定向发射率开展相应的理论建模和实验测量研究。在反向蒙特卡罗法和涂层表面辐射特性的基础上构建了方向发射率计算模型,分析了探测距离、温度非均匀性、涂层表面辐射特性等因素对空腔发射率的影响。然后,采用受控背景的材料发射率测量系统开展了相应的实验研究。研究结果可为空间基准黑体源的设计、开发与溯源提供理论指导。     

-60℃～80℃面源黑体辐射特性校准系统

分析面源黑体及其辐射特性校准在红外热像仪研制、航天红外遥感及民用领域等的需求背景。提出一种基于光谱辐亮度比对的－60℃－80℃面源黑体辐射特性校准装置，并详细地分析校准数学模型。     

低温红外辐射源研究

随着空间红外探测、卫星遥感等技术的飞速发展,低温红外辐射源的需求日益迫切。研制了一种基于液体循环控温原理的低温红外辐射源。辐射源的工作温度范围为-60℃～50 ℃,控温精度达到0.01 ℃,有效发射率优于0.999 7。首先阐述了低温红外辐射源的设计原理,介绍了辐射源腔形设计,使用基于蒙特卡罗算法的软件STEEP3计算了辐射腔的有效发射率;接着对辐射腔内部温度特性进行了研究,实验结果表明低温红外辐射源辐射腔温度均匀性优于0.02 ℃,腔底温度稳定性优于0.05 ℃/h;最后通过与镓熔点黑体比较得到低温红外辐射源在29.76 ℃时的光谱发射率,与仿真计算结果一致。     

便携式红外目标模拟器的研制

针对导弹整体性能测试中目标体红外辐射强度和运动特性的模拟需求,研制了基于卡塞格林式准直光学原理的便携式红外目标模拟器。该目标模拟器采用抛物面型主反射镜与双曲面型次反射镜相结合的卡塞格林准直光管作为光学系统,采用黑体作为辐射源,在可变小孔光阑和旋转台的配合下,实现了对红外目标运动特性和辐射强度的模拟。经检测表明,研制的目标模拟器焦距为414.8mm,系统出射光平行度小于10″,黑体辐射温度范围大于80℃,可为测试红外导引头的角运动情况和红外辐射强度提供一条有效的技术途径。     

定量化红外遥感应用的高精度水浴黑体

辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术之一。根据定量化红外遥感应用的需求,研制了高精度水浴黑体辐射源,并应用均匀镜-漫反射模型法对其发射率进行了计算。提出了基于绝对低温辐射计的常温黑体定标方法。性能测试结果表明,该黑体辐射源可用于遥感探测器中的红外辐射定标。     

30℃～420℃黑体温度控制及自整定研究

作为红外标准光源,要求30℃～420℃黑体能快速升温到设定温度点,并保持温度稳定。针对其升降温功率差别大、滞后大等特点,用开关控制冲击响应自整定方法,得到黑体温升超调量、最大升降温速率等参数,采用复合智能温控策略,实现了30℃～420℃黑体温升前期快,接近设置温度时改以渐进方式达到并稳定在设定温度点。实验结果表明,实现了30℃～420℃黑体无超调地到达设定温度点,且稳定性为±0.03℃/min,该指标达到了国际同类产品水平。     

一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置

根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。     

基于图像的飞行器红外辐射特性测量

通过将目标在一定波段内的红外辐射等效为红外成像系统前一定距离下黑体在对应波段内的红外辐射,建立了等效辐射方程。根据黑体辐射定标实验数据,利用非线性回归方法确定了在不同的积分时间条件下红外凝视成像系统输出红外图像的灰度值与在一定距离下的黑体温度之间的定量关系,建立了辐射定标方程。在Visual C++6.0平台下,在对红外目标图像进行SUSAN滤波等预处理后,分析了已知目标距离的红外图像的灰度均值。首先根据辐射定标方程计算出目标等效为黑体的温度,然后利用等效辐射方程反推目标的红外辐射强度,以达到根据跟踪的红外图像确定红外目标辐射特性的目的。此项研究不仅可以为目标识别提供目标分类、识别和辨认所必需的光谱数据库,而且还可以为红外预警提供重要的参考数据。     

一种红外目标模拟器黑体辐射源选型的计算方法

在光电系统测试中目标模拟器是必不可少的测试设备,黑体辐射源是红外目标模拟器的关键部件,它的选型直接影响着红外目标模拟器的性能。从黑体探测灵敏度与系统探测灵敏度的关系,推导出黑体辐射源的温度计算公式,以此计算黑体辐射源所需的最低温度点。通过仿真验证了计算方法的正确性,为黑体辐射源的选型提供了理论依据。     

外场使用红外靶标系统的设计

为了实现在外场对红外探测器进行最小可分辨温差（MRTD）测试,对MRTD的原理及过程进行了阐述,结合过去常用的技术手段,设计了一套用于外场的红外靶标系统。利用面源黑体作为被测目标源,降低了控制难度;采用旋转靶轮的方式切换不同的空间频率,减小了面源黑体的尺寸;利用二维调节机构实现目标靶方位角与俯仰角的手动调节。红外靶标系统可实现5 ℃～100 ℃的温度变化,靶面温度不均匀性小于1 ℃,可提供12组不同空间频率的MRTD测试靶标。经过有限元分析表明:整个系统稳定性好,可以满足外场MRTD测试的需要。     

真空条件下低温红外辐射测量技术研究

针对红外载荷在轨服役期间低温目标的红外辐射探测需求,提出一种真空条件下的低温红外辐射测量方案,并研制了测量装置。测量装置主要由低温红外光学系统、低温机械结构、低温红外探测系统及微弱信号处理系统构成。低温红外辐射经过光学系统会聚到探测器像面,锁相放大器利用相干检测技术将目标信号提取,完成低温红外辐射的测量。测量装置研制完成后,在真空仓内使用标准黑体辐射源,在198 K～423 K温度范围内进行了低温红外辐射定标试验,取得了有效的试验数据,测量不确定度在5%以内。该文提出的真空条件下低温红外辐射测量技术可为在轨空间红外载荷低温红外目标探测设计提供重要数据支撑。     

单黑体温控的热成像仪MRTD野外在线自动检测技术研究

为满足红外热像仪MRTD野外在线全自动检测要求,设计了一种新型MRTD检测方法。硬件采用单黑体温差控制技术,在减小检测设备体积质量的同时保证了黑体目标与环境背景的温差控制精度,采用串口通信控制与CCD图像采集处理等技术有机结合实现温差控制及图像采集处理的协调统一;在软件上采用优化的处理算法精确地提取目标及背景区域,并利用不同温差下目标与背景区域的灰度差计算出被测热像仪MRTD参数值。经实验检验,该结果与人眼观测所得结果误差在002℃以内,研制出的检测设备具有结构简单、体积及质量小、操作简便等优点。     

中、远红外双波段激光器发射光谱测量与评估

在分析中远红外双波段(氟化氘与一氧化碳)激光器发射光谱的基本特征和分光型谱仪存在高级次光谱混叠等问题的基础上,选定Tensor37干涉型遥测光谱仪并利用黑体标定出仪器响应函数;对中、远红外双波段激光器光谱进行了模拟测量和实际测量,分析评估了双波段激光器的谱线成分、峰值变化、测量精度和相对强度等,为双波段激光器的介质参数计算、运转参数优化以及红外应用提供有效数据。     

云的红外辐射模型综述

介绍了云的分类和组成,以及云的红外辐射模型(包括二流近似、灰体近似和黑体近似模型),测量了云的红外光谱辐射。分析表明:二流近似模型可用于云层对太阳和大气中红外波段的反射、透射和云自身的辐射。黑体近似模型和灰体近似模型主要用于对云层较粗略的估算,灰体模型可近似描述8～12μm波段的辐射,且形式上比较简单,是一种常用的简化模型。